微型内燃机内置平板电容点火器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种微型内燃机内置平板电容点火器及其制备方法。首先，采用等离子体增强化学气相沉积工艺在硅基体上沉积一层氮化硅薄膜作为绝缘层；接着采用微电子工艺在硅基上刻蚀出微燃烧室腔体的一部分，在刻蚀过程中从硅片的背面制作出两个端面对齐的悬臂梁作为支撑；然后采用蒸镀工艺，在悬臂梁上沉积上一层金薄膜作为金属平板电容器、导线和接线座；再在电镀液中进行电镀和去离子水清洗；最后采用微封装工艺与微燃烧室的其它部分封装在一起。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微型内燃机和微小空间点火和燃烧特性试验装置点火元件，特别涉及一种。
技术介绍
微型内燃机是近几年国内外研究的热点之一，微型内燃机，具有体积小、能量密度高、环境污染小等特点，应用前景十分看好。目前，在微小空间内的点火，主要有电阻加热时点火和电火花放电点火。在电阻加热点火中，通常是在微小的燃烧室内采用MEMS工艺制备出一段片形电阻片，这些电阻片可以在硅基体上采用深层多步干法刻蚀加工工艺制备；也可以是在玻璃基体上蒸镀金属，用浮脱工艺加工出电阻丝的形状。点火花放电点火电极制备，现有的方法是在光敏玻璃上通过刻蚀、热处理等工艺制作出微燃烧室的腔体形状，在光敏玻璃上沉积金属Cr/Cu作为缓冲层，再在上面沉积金属Ni，做保护层，最后在HF酸溶液中去掉多余的玻璃、金属Cr/Cu，留下金属Ni作为点火花电极。该方法的不足之处是没有采用硅基体作为微燃烧室材料，电极端部为尖状，尽管可以使两端的加载电压减小，但却大大地减小了电容。
技术实现思路
本专利技术的目的是，改进现有技术所存在的缺陷，提供一种基于微电子加工技术的，所制备的微型内燃机内置平板电容点火器具有放电迅速，点火方便，绝缘性好，且结构简单，制备容易等特点。为了达到上述目的，本专利技术是采取如下技术方案予以实现的一种微型内燃机内置平板电容点火器，包括双面沉积有绝缘层的硅基片1，在硅基片1的背面和正面设有与微型内燃机内置燃烧室的腔体相对应的图形，背面还设有与微燃烧室的腔体相对应的空心腔体3，使硅基片1形成两个端面对齐的悬臂梁结构，在硅基片1的正面，与悬臂梁结构即空心腔体3的中心对应处设有两端分别通过导线2和接线座5连接的金属平板电容器4。一种微型内燃机内置平板电容点火器的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行(1)将硅基片按顺序用去离子水，无水乙醇，去离子水进行超声清洗；(2)然后在硅基片双面沉积绝缘层；(3)再在硅基片背面和正面分别涂光刻胶、光刻，刻蚀出腐蚀窗口；(4)然后在硅基片正面涂光刻胶，光刻，沉积金属，剥离，形成金属平板电容器、导线和接线座图形；(5)再刻蚀硅基片的背面，通过控制刻蚀时间形成硅梁结构和腔体。(6)最后在电镀液中进行电镀即可。本专利技术的有益效果是采用微电子薄膜制备工艺及普通的湿法刻蚀工艺在硅基上制作既满足微小空间尺寸要求又满足微流道中可燃气体点火要求的微型内燃机内置平板电容式点火器，从而实现微型内燃机内置及微小空间点火及燃烧特性试验各类装置的可微型化；微型内燃机内置平板电容点火器正对应于可燃气体入口处，点火迅速，易于控制。由于本专利技术方法是基于微电子工业的薄膜制备工艺进行微型内燃机内置平板电容点火器的制备，因此，可以实现其批量化生产，同时可以实现电极的形状和尺寸精度的控制，从而有利于对点火能量的精确计算与控制，并且有利于提高点火测量结果的一致性。附图说明图1是本专利技术的微型内燃机内置平板电容点火器结构图；图2是本专利技术制备方法步骤图；图3是微型内燃机内置平板电容点火器在微燃烧室内装备图。具体实施例方式以下结合附图及实施例对本专利技术作进一步的详细说明如图1所示，为一微型内燃机内置平板电容点火器结构图。包括硅基片1、导线2、腔体3、金属平板电容器4和接线座5。本实施例中微型内燃机内置的燃烧室的截面形状采用正方形或圆形，其边长或直径取2mm，金属电阻片的宽度取40μm，由于微型内燃机内置电阻点火器的形状与尺寸大小与微燃烧室进口部分腔体的形状和尺寸设计相对应，因此腔体3截面形状也采用正方形或圆形。电阻片4沉积在硅基片1的悬臂梁结构上，其形状与硅基片1的悬臂梁结构相对应。上述微型内燃机内置平板电容点火器制备方法参见图2，包括下列步骤 (1)对硅基片的正常清洗工艺根据微型内燃机的燃烧室的大小对硅基片进行正确划片，将划片后的硅基片按顺序用去离子水，无水乙醇，去离子水进行超声清洗。(2)在硅基片双面沉积绝缘层采用热氧化的方法可以制备氧化硅薄膜，也可以在硅基片上用等离子体增强化学气相沉积工艺沉积氧化硅、氮化硅和碳化硅薄膜。如图2中a所示，生长绝缘层，绝缘层为非金属陶瓷膜层，绝电、绝热，本实施例中采用氮化硅作为材料，在双面抛光的硅机片上，用LPCVD在双面生长低应力氮化硅，氮化硅厚度为2μm。(3)通过刻蚀绝缘层薄膜形成硅基片背面的燃烧室腔体图形如图2中b所示，在硅基片背面涂正性光刻胶BP218，胶厚7μm，曝光80秒，显影120秒；用RIE刻蚀机刻蚀氮化硅，刻蚀出腔体的背面窗口，刻蚀气体为SF6气体，流量60sccm，刻蚀时间20分钟。(4)通过刻蚀绝缘层薄膜形成硅基片正面的燃烧室腔体图形如图2中c所示，在硅基片正面涂正性光刻胶BP218，胶厚7μm，曝光80秒，显影120秒；用RIE刻蚀机刻蚀氮化硅，刻蚀出腔体的正面窗口，刻蚀气体为SF6气体，流量60sccm，刻蚀时间20分钟。(5)在正面的绝缘层上制备金属平板电容器、导线和接线座，金属平板电容器选用熔点超过1000℃的贵金属，如金、铂、镍等，用溅射或蒸镀方法获得，导线和接线座材料选择导电性好的金属。上述实施例中所述金属平板电容器材料选用金薄膜，连接导线对外接线座部分也采用金薄膜。本实例中金属平板电容器材料选用金薄膜，连接导线对外接线座部分也采用金薄膜，在蒸发沉积金薄膜之前，可先蒸发一层金属铬薄膜作为缓冲层。如图2中d所示，在硅基片正面涂反转光刻胶AZ5214，胶厚2μm；正面对准曝光，前曝时间6秒，再将热板在120℃下烘2分钟，泛曝20秒，然后在背面腔体对应的梁上，硅基片的正面，沉积熔点超过1000℃的贵金属金，厚度约为100nm，电子束蒸发金属铬和金，用丙酮超声，乙醇超声，水超声剥离、清洗，形成正面金属平板电容器、导线和接线座图形。(6)刻蚀多余的硅以形成腔体如图2中e所示，用30％KOH溶液，刻蚀硅基片的背面形成的燃烧室腔体，根据刻蚀速率(约1μm/分钟)通过控制湿法刻蚀时间使硅基片上形成两个端面对齐的悬臂梁结构，两个悬臂梁端面之间有一定的距离。在刻蚀过程中根据刻蚀速率通过控制刻蚀时间控制刻蚀硅的深度从而形成悬臂梁结构。刻蚀硅采用湿法刻蚀和干法刻蚀均可。(7)在氰化钾100～110克/升，金25克/升的电镀液中电镀金。由于蒸发或溅射获得的金属薄膜厚度较小，为了使平板电容的极间端平面有一定的厚度，需要在电镀液中进行电镀。电镀温度50℃±2℃，电流密度6～10mA/cm2；电镀时间根据8分钟约5μm厚，13分钟约8μm厚的速率来掌握。结合图3说明。通常，微燃烧室8是由多层硅结构经键合构成的，微型内燃机内置平板电容点火器7设计在微燃烧室的下腔体6，是在其中的一层硅基片上制备的，微燃烧室8的截面形状采用正方形或圆形。所以该硅基片上腔体的形状和尺寸与微燃烧室的形状和尺寸设计相适应。硅微梁结构，起到支撑作用；硅梁结构是在刻蚀硅基片的过程中形成的，因此在制备时，可根据微燃烧室的尺寸和形状要求制备相应的微型内燃机内置平板电容点火器，然后与微燃烧室的其他部分采用微封装工艺连接在一起即可。微型内燃机内置平板电容点火器具有很多优点采用微电子工艺制备简单；形状和尺寸控制精确，端面整齐，极间距离均匀；点火迅速，控制方便在外界提供较小的功率情况下，产生足够的点火能量达到点火的目的，非常适用于微内燃机及微小空间点火和燃烧特性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微型内燃机内置平板电容点火器，包括双面沉积有绝缘层的硅基片（１），其特征在于，所述的硅基片（１）背面和正面设有与微型内燃机内置燃烧室的腔体相对应的图形，硅基片（１）的背面设有与微燃烧室的腔体相对应的空心腔体（３），使硅基片（１）形成两个端面对齐的悬臂梁结构，在硅基片（１）正面，与悬臂梁结构即空心腔体（３）的中心对应处设有两端分别通过导线（２）和接线座（５）连接的金属平板电容器（４）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋庄德，任泰安，张长富，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]